トポロジカル絶縁体の量子化磁気光学効果の観測 －省エネかつ高効率な光学素子の実現へ－ : 物理工学専攻　博士課程 岡田　健 、川﨑雅司教授、十倉好紀教授ら

理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター強相関量子伝導研究チームの岡田健大学院生リサーチ・アソシエイト（東京大学大学院工学系研究科 大学院生）、十倉好紀チームリーダー（同教授）、創発分光学研究ユニットの高橋陽太郎ユニットリーダー（同特任准教授）、強相関界面研究グループの川﨑雅司グループディレクター（同教授）、東北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授らの共同研究グループは、磁石の性質を持たせたトポロジカル絶縁体に光を当てると、磁気光学効果により偏光が回転し、その回転角が量子力学で規定される普遍的な値をとることを実験的に証明しました。

　自然界には、観測される量が物質の詳細に依らず物理学の基本定数でのみ定められる普遍的な現象がいくつか存在します。例えば量子ホール効果は、観測されるホール抵抗が必ず電気素量eとプランク定数hによって決められた値を示します。また「量子異常ホール効果」は近年、磁石の性質を持たせたトポロジカル絶縁体上で実現されました。量子異常ホール効果が生じた試料に光を当てると、偏光の回転角が微細構造定数と呼ばれる電磁相互作用の基本定数で定められる“量子化した磁気光学効果”が生じることが予測されていました。

　この量子化磁気光学効果を実験的に観測するために、共同研究グループは、独自に開発したトポロジカル絶縁体の薄膜を使って、従来よりも高い温度で安定な量子異常ホール効果を実現し、薄膜にテラヘルツ光を当てました。その結果、テラヘルツ光の偏光回転角が微細構造定数によって定まることを実験的に証明しました。量子異常ホール効果を用いると、無磁場での偏光回転と物質内でのエネルギー吸収がゼロとなる光応答が可能となります。また、今回測定に用いた厚さ8ナノメートル（nm、1nmは10億分の１メートル）の薄膜で観測された回転角は0.15度であり、薄膜の単位厚さ（cm）当たりの回転角で評価すると、200,000度/cmに相当します。この値は、従来の偏光回転素子よりも2桁近く大きい偏光回転効率を示しています。

　本成果は、今後、テラヘルツ帯における省エネルギーで高効率な光学素子の実現につながると期待できます。

　本研究は、最先端研究開発支援プログラム（FIRST）課題名「強相関量子科学」の事業の一環として行われました。成果は、英国のオンライン科学雑誌『Nature Communications』（7月20日付け：日本時間7月20日）に掲載されます。

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Nature Communications URL : http://www.nature.com/ncomms/2016/160720/ncomms12245/full/ncomms12245.html